195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎的設(shè)計(jì)

呂福秋，廉 旭，王勸勸

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 建德 311607]

隨著城鄉(xiāng)道路建設(shè)的迅速發(fā)展，用戶對(duì)輕型載重輪胎的使用壽命、高速性能、節(jié)油性能等要求越來(lái)越高，另外汽車配套廠對(duì)輪胎的輕量化、低滾動(dòng)阻力等方面性能也越來(lái)越重視[1-3]。據(jù)了解，目前輕型載重車輛使用的195/70R15輪胎均為半鋼子午線輪胎，半鋼結(jié)構(gòu)因骨架材料等自身?xiàng)l件限制，產(chǎn)品使用過(guò)程中易出現(xiàn)胎面脫層問(wèn)題。

為了解決胎面脫層問(wèn)題，同時(shí)滿足配套廠和客戶的特殊需求，我公司開(kāi)發(fā)了195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎，現(xiàn)將設(shè)計(jì)概況介紹如下。

1 產(chǎn)品定位及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

195/70R15 12PR輪胎針對(duì)配套主機(jī)廠開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)年總需求15萬(wàn)套，車型主要有廂式小型貨車和小型物流卡車，車輛總質(zhì)量在4 t左右，實(shí)際最大載質(zhì)量為5 t，路面為綜合路面，正常行駛速度為90～120 km·h-1，設(shè)計(jì)要求輪胎質(zhì)量和成本分別比同規(guī)格半鋼子午線輪胎低0.5 kg和6%。根據(jù)GB/T 2977—2016《載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，確定195/70R15全鋼子午線輪胎設(shè)計(jì)參數(shù)[3-4]為：層級(jí) 12PR，負(fù)荷指數(shù) 109/105，速度級(jí)別 R，標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6J，單胎負(fù)荷 1 030 kg，雙胎負(fù)荷 925 kg，充氣壓力 650 kPa，充氣外直徑（D′） 655（647～663） mm，充氣斷面寬（B′）201（193～211） mm。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

半鋼子午線輪胎因胎體骨架材料強(qiáng)度較小，使用后期會(huì)出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象，對(duì)于后輪雙胎并裝的車輛，需避免使用中后期出現(xiàn)并胎問(wèn)題。另外，本設(shè)計(jì)還要考慮輕量化，因此D′和B′均設(shè)計(jì)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下限值。根據(jù)我公司生產(chǎn)工藝狀況及同系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)外直徑膨脹率（D′/D）取1.005，則D為651 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）取0.966（B′取200 mm），B為207 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h的取值決定了輪胎冠部輪廓形狀，影響輪胎的接地印痕形狀和壓力分布、使用壽命、操縱穩(wěn)定性能及耐磨性能。經(jīng)有限元模擬分析，b適當(dāng)增大、h適當(dāng)減小可增大輪胎接地面積，提高輪胎的耐磨性能。本次設(shè)計(jì)b取150 mm，h取6.7 mm，b/B為0.724 6。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

根據(jù)半鋼子午線輪胎的市場(chǎng)使用特點(diǎn)，胎圈部位極少損壞，因此胎圈部位設(shè)計(jì)無(wú)需加強(qiáng)，主要從無(wú)內(nèi)胎輪胎的保氣性和裝配性考慮[5]。為防止胎圈與輪輞配合出現(xiàn)漏氣、脫圈及滑移等問(wèn)題，d取值適當(dāng)減小，胎趾傾斜角度采用分段式設(shè)計(jì)，分別取10°和20°，同時(shí)考慮輪胎裝卸的難易程度，本次設(shè)計(jì)采用胎圈與輪輞過(guò)盈配合，過(guò)盈量為2.8 mm，d取379 mm；C取值過(guò)小易出現(xiàn)漏氣問(wèn)題，且C取值會(huì)影響B(tài)′，根據(jù)同規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，C取178 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位置是輪胎在負(fù)荷作用下變形量最大的部位，H1/H2設(shè)計(jì)偏小會(huì)造成下胎側(cè)早期損壞，設(shè)計(jì)偏大會(huì)造成胎冠早期損壞。市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，原半鋼子午線輪胎使用過(guò)程中存在胎面脫層問(wèn)題，因此本設(shè)計(jì)斷面水平軸位置適當(dāng)偏低，H1/H2取0.942 9，使斷面水平軸上下部位受力均勻。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

2.5 花紋設(shè)計(jì)

胎面采用4條溝變節(jié)距縱向花紋設(shè)計(jì)，防止輪胎與車輛同頻共振；為提高輪胎的美觀性和排水性能，冠部花紋塊采用多鋼片設(shè)計(jì)；為改善散熱性，肩部采用大圓弧設(shè)計(jì)，同時(shí)肩部花紋塊采用粗鋼片設(shè)計(jì)?；y深度為8.5 mm，花紋飽和度為71.4%，花紋周節(jié)數(shù)為30。花紋溝采用變角度設(shè)計(jì)，防止惡劣路況條件下花紋夾石子造成花紋溝底裂。

胎面花紋展開(kāi)如圖2所示，實(shí)體輪胎花紋如圖3所示。

圖3 實(shí)體輪胎花紋

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面和胎側(cè)

胎面采用胎面膠、基部膠、翼膠三復(fù)合擠出，機(jī)外再與緩沖膠片復(fù)合，胎側(cè)采用耐磨膠、胎側(cè)膠、緩沖膠三復(fù)合擠出。胎面膠采用低滾動(dòng)阻力、高耐磨配方，基部膠采用低生熱配方，胎側(cè)膠采用耐老化配方。

3.2 帶束層/冠帶層

1#和2#帶束層采用3＋8×0.23HT鋼絲簾線，簾布裁斷角度均為26°。在2層帶束層之上還有2層冠帶層，冠帶層的作用是使帶束層應(yīng)力和接地壓力均勻分布，增大輪胎接地印痕的矩形因數(shù)，有效改善冠部變形大的問(wèn)題，同時(shí)大幅延長(zhǎng)輪胎單位磨耗里程，提高輪胎的耐久性能，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，降低輪胎的滾動(dòng)阻力，冠帶層采用電子預(yù)硫化1670dtex/2 DSP聚酯簾布0°纏繞，帶束層安全倍數(shù)為7.4。

3.3 胎體

胎體采用3×0.22/9×0.20 CCHT鋼絲簾線，簾布?jí)貉雍穸葹?.7 mm，裁斷角度為0°，胎體安全倍數(shù)為6.8。簾布裁斷及成型時(shí)注意胎體縫合器間隙和角度的設(shè)定，防止胎體簾線接頭疏密不均造成輪胎充氣實(shí)鼓問(wèn)題。

3.4 胎圈

鋼絲圈采用直徑為1.30 mm的高強(qiáng)度回火鋼絲[6]，鋼絲表面鍍銅，可有效增大鋼絲與膠料的粘合力，防止鋼絲松散造成爆胎，鋼絲圈排列方式為4-5-6-5-4，共24根鋼絲，鋼絲圈為正六角形結(jié)構(gòu)，繞盤直徑為386 mm。鋼絲圈安全倍數(shù)為5.2，符合設(shè)計(jì)要求。

3.5 成型

成型采用二次法成型機(jī)[7]、Φ428 mm半芯輪式成型機(jī)頭，鋼絲簾線的伸張率很小，因此根據(jù)輪胎內(nèi)輪廓胎體簾線有效長(zhǎng)度折算機(jī)頭寬度為343 mm，采用冠包側(cè)成型工藝，各半成品部件接頭均勻錯(cuò)開(kāi)分布，提高輪胎的均勻性和動(dòng)平衡性能。

3.6 硫化

硫化采用AB型1 168 mm（46英寸）熱板硫化機(jī)過(guò)熱水硫化工藝。硫化條件為：模套溫度（160±3） ℃，熱板溫度 （145±3） ℃，過(guò)熱水壓力 （2.50±0.10） MPa，硫化總時(shí)間 16 min。成品輪胎外觀符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

輪胎外緣尺寸根據(jù)GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試[8]，標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6J，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 650 kPa。

輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下D′和B′分別為654和200 mm，磨耗標(biāo)記高度為1.9 mm，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 強(qiáng)度性能

輪胎強(qiáng)度性能根據(jù)GB/T 4501—2023《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試[9]，標(biāo)準(zhǔn)最小破環(huán)能為644 J，探頭直徑為19 mm。

前4點(diǎn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值的100%）未壓穿，第5點(diǎn)未壓穿，輪胎破壞能為863.2 J，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值的134%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

4.3 耐久性能

輪胎耐久性能根據(jù)GB/T 4501—2023進(jìn)行測(cè)試[10]，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試通過(guò)后，按每10 h負(fù)荷增大10%繼續(xù)測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)累計(jì)行駛時(shí)間為100 h，輪胎完好，符合設(shè)計(jì)要求（≥100 h）。

4.4 高速性能

輪胎高速性能根據(jù)GB/T 4501—2023進(jìn)行測(cè)試[10]，按國(guó)家標(biāo)測(cè)試通過(guò)后，按每10 min提高速度10 km·h-1繼續(xù)測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)累計(jì)行駛時(shí)間為70 min（速度為180 km·h-1），輪胎未損壞，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（≥170 km·h-1）。

4.5 胎圈性能

胎圈性能根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，輪胎在200%負(fù)荷率、30 km·h-1速度下行駛了70.1 h，胎圈破裂，符合設(shè)計(jì)要求（≥60 h）。

4.6 接地印痕

輪胎接地印痕如圖4所示。

圖4 輪胎接地印痕

輪胎接地印痕矩形因數(shù)為0.94，符合設(shè)計(jì)要求（≥0.92）。

4.7 滾動(dòng)阻力

輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)根據(jù)ISO 28580：2018進(jìn)行測(cè)試。

輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)為7.9 N·kN-1，符合設(shè)計(jì)要求（≤8.0 N·kN-1）。

4.8 與半鋼子午線輪胎性能對(duì)比

195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎與同規(guī)格半鋼子午線輪胎成品性能對(duì)比如表1所示。

表1 兩種輪胎成品性能對(duì)比

從表1可以看出，全鋼子午線輪胎的各項(xiàng)性能均優(yōu)于同規(guī)格半鋼子午線輪胎。

另外，全鋼子午線輪胎的質(zhì)量和成本分別比同規(guī)格半鋼子午線輪胎低0.8 kg和6.2%，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

195/70R15 12PR全鋼子午線輪胎的設(shè)計(jì)符合預(yù)期目標(biāo)，成品性能試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎充氣外緣尺寸、強(qiáng)度性能、耐久性能、高速性能、胎圈性能和接地印痕等均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。輪胎發(fā)往主機(jī)廠進(jìn)行整車評(píng)價(jià)，其制動(dòng)性能、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性能等與同規(guī)格半鋼子午線輪胎相當(dāng)，主觀評(píng)價(jià)良好，深受客戶認(rèn)可。該產(chǎn)品在高速性能、耐久性能、胎圈性能和輕量化等方面有突破性進(jìn)展，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。